沖擊回波聲頻法在京唐鐵路CRTSⅢ型軌道板脫空檢測中的研究

馬超

（鐵正檢測科技有限公司，山東濟(jì)南 250000）

0 引言

CRTSIII 型軌道板結(jié)構(gòu)，主要由隔離層結(jié)構(gòu)（土工布材料構(gòu)成）、預(yù)制構(gòu)件（軌道板為預(yù)制構(gòu)件）、鋼結(jié)構(gòu)承載軌道、扣件、擋臺等部分構(gòu)成。

在鐵路運(yùn)營過程中，軌道板的層間緊密性與結(jié)合度是評價其質(zhì)量可靠性的主要指標(biāo)。但在實(shí)際工程中，層間結(jié)構(gòu)經(jīng)常會出現(xiàn)脫空、起泡等問題。尤其在鐵路建成投入使用后，軌道板結(jié)構(gòu)會受到外界環(huán)境因素的影響（包括溫度分布、受力分布等），出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，從而增加軌道車輛在高速行駛中的安全隱患[1]。為解決此方面問題，保證我國交通行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，亟須采取有效的措施或輔助使用現(xiàn)代化檢測技術(shù)與手段，進(jìn)行軌道板脫空問題的檢測，及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中存在的安全隱患。

但在深入此項(xiàng)工作研究時發(fā)現(xiàn)，CRTSIII 型軌道板在2011年年初才被正式應(yīng)用到鐵路施工建設(shè)中，因此，與之相關(guān)的研究成果較少，相應(yīng)的其檢測的研究成果更是無法在市場內(nèi)投入使用。盡管部分技術(shù)人員已嘗試了基于雷達(dá)探測、彈性波等角度，進(jìn)行軌道板的脫空檢測，但現(xiàn)有的檢測技術(shù)在應(yīng)用中幾乎都存在一定的局限[2]。

基于此，本文將引進(jìn)沖擊回波聲頻法，以京唐鐵路CRTSIII 型軌道板為例，采用一種全新的脫空檢測方法應(yīng)于軌道板檢測，以此種方式，為鐵道的全面運(yùn)營提供安全保障。

1 基于沖擊回波聲頻法的京唐鐵路CRTSIII 型軌道板脫空檢測方法

1.1 基于沖擊回波聲頻法的缺陷應(yīng)力波響應(yīng)特征提取

為實(shí)現(xiàn)對軌道板脫空問題的精準(zhǔn)檢測，提高鐵路交通在高速行駛中的安全性，引進(jìn)沖擊回波聲頻法，進(jìn)行CRTSIII型軌道板缺陷應(yīng)力波響應(yīng)特征的提取[3]。檢測前，根據(jù)引進(jìn)技術(shù)的使用需求，設(shè)計特征提取過程。

獲取沖擊回波聲頻法反饋信號，明確在反饋信號的激振點(diǎn)邊緣，當(dāng)軌道結(jié)構(gòu)存在脫空問題時，反饋信號將存在卓越振幅，將此振幅作為缺陷應(yīng)力波響應(yīng)特征，對其進(jìn)行提取。此過程計算可用公式（1）表示。

式（1）中：T表示信號頻率深度；β表示缺陷應(yīng)力波形狀系數(shù)；C表示CRTSIII型軌道板標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力，計算中取值為常數(shù)；f表示反饋信號頻率。按照上述計算公式，對特征信號進(jìn)行提取。

1.2 基于遷移學(xué)習(xí)的CRTSIII 型軌道板脫空標(biāo)注

完成研究后，引進(jìn)遷移學(xué)習(xí)技術(shù)，進(jìn)行CRTSIII 型軌道板脫空標(biāo)注。在此過程中，檢測的CRTSIII 型軌道板需要通過圖像分析識別，因此，在獲取基礎(chǔ)圖像后，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行CRTSIII型軌道板運(yùn)行信息的自定義[4]。在此基礎(chǔ)上，將目標(biāo)檢測區(qū)域遷移到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，對所檢測區(qū)域進(jìn)行訓(xùn)練與迭代。可將此過程表示為公式（2）所示的過程。

式（2）中：R表示CRTSⅢ型軌道板脫空檢測區(qū)域訓(xùn)練數(shù)據(jù)的迭代處理；Z2表示遷移數(shù)據(jù)組；Z1表示原始數(shù)據(jù)組；i表示迭代行為的發(fā)生次數(shù)；α 表示第i次迭代行為的標(biāo)注。按照方式（2），對待測試區(qū)域進(jìn)行迭代處理，根據(jù)迭代處理的順序，進(jìn)行存在缺陷CRTSIII型軌道板的脫空標(biāo)注[5]。

1.3 脫空類型劃分與檢測結(jié)果主動標(biāo)識

完成上述設(shè)計后，對脫空類型進(jìn)行劃分。將脫空類型劃分為：超厚、強(qiáng)度不足、欠厚、密實(shí)度不足等幾種類型。將標(biāo)注結(jié)果與缺陷應(yīng)力波響應(yīng)特征進(jìn)行匹配，匹配時，采用非極大值抑制法進(jìn)行缺陷的迭代，通過反復(fù)迭代，可以有效避免在一個相同檢測區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)單點(diǎn)重復(fù)檢測的問題。按照標(biāo)準(zhǔn)化的迭代處理方法，進(jìn)行單點(diǎn)檢測結(jié)果的標(biāo)識，完成標(biāo)識后，輔助使用精靈標(biāo)注助手，進(jìn)行缺陷結(jié)果的輸出，將輸出的結(jié)果導(dǎo)入xml 文件，采用十折交叉驗(yàn)證的方式，對檢測結(jié)果進(jìn)行一次校驗(yàn)，將通過校驗(yàn)的數(shù)據(jù)集中后輸出，以此種方式，實(shí)現(xiàn)對檢測結(jié)果的主動標(biāo)識。綜上所述，完成基于沖擊回波聲頻法的脫空檢測方法設(shè)計。

2 對比實(shí)驗(yàn)

上面從三個方面，完成了基于沖擊回波聲頻法的檢測方法理論設(shè)計，為證明此次研究設(shè)計的方法在實(shí)際應(yīng)用中具有較強(qiáng)的實(shí)用性，可以為鐵路工程質(zhì)檢單位的運(yùn)營管理相關(guān)工作實(shí)施提供進(jìn)一步的指導(dǎo)與技術(shù)幫助。下述將以新建北京至唐山鐵路JTZQ-6 標(biāo)段工程為例，對所設(shè)計的檢測方法的可行性進(jìn)行檢驗(yàn)。確保本次實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性與實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的可靠性，需要在開展測試實(shí)驗(yàn)前，安排技術(shù)人員與施工單位進(jìn)行技術(shù)對接，并采用實(shí)地勘查的方式，獲取新建項(xiàng)目的相關(guān)工程信息，對現(xiàn)已知的工程信息進(jìn)行整理與統(tǒng)計。

新建北京至唐山鐵路JTZQ-6 標(biāo)段正線長度25.80km，計劃投資17.5 億元，該項(xiàng)目在2017年9月正式開建，預(yù)期該項(xiàng)目在48 個月內(nèi)完成施工。根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)方要求，此項(xiàng)目在施工中的路基長度約為0.315km，施工場地中包括1 座長度約為1.786km 的工段，根據(jù)工程施工方統(tǒng)計，施工段的土方量與路基土方量約為840000m2。施工段中的軟基處理結(jié)構(gòu)為φ40.0cm-CFG 樁，此樁體結(jié)構(gòu)的延長米數(shù)約為368641m，其中包括5 座涵洞，涵洞的有效延長約為258.59m。除上述內(nèi)容外，施工段還途經(jīng)2 座特大橋建筑，橋長約為23.696km，此橋梁的支撐結(jié)構(gòu)為樁基，根據(jù)工程方統(tǒng)計，樁基結(jié)構(gòu)共有7118 根、承臺726個、墩身726 個；預(yù)制、架設(shè)右線箱梁695 孔，支架現(xiàn)澆梁6 孔，其中軌道板預(yù)制40990 塊。

掌握新建北京至唐山鐵路JTZQ-6 標(biāo)段工程項(xiàng)目相關(guān)信息后，在已完成的施工段布置此次實(shí)驗(yàn)。根據(jù)工程項(xiàng)目的特點(diǎn)與工程施工需求，選擇“32+48+32”段與“40+56+40”段作為此次實(shí)驗(yàn)研究的測試段，通過技術(shù)部門的集中分析可知，所選的測試段均為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁連續(xù)施工段，即所選的測試段符合此次實(shí)驗(yàn)需求。

為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有對比性，選擇基于超聲橫波成像法的檢測方法作為傳統(tǒng)方法，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，在測試現(xiàn)場布置本文要求的實(shí)驗(yàn)裝置?；跊_擊回波聲頻法的檢測方法現(xiàn)場結(jié)構(gòu)布置參照圖1。

圖1 基于沖擊回波聲頻法的檢測方法現(xiàn)場結(jié)構(gòu)布置圖

圖1 中：（1）（3）分別表示拾音器1 與拾音器2；（2）表示激振器。完成對施工設(shè)備的綜合部署后，在標(biāo)段中的不同里程位置進(jìn)行測試點(diǎn)的布置，采用脫空現(xiàn)象測試點(diǎn)布置方式，測線區(qū)間分為五個區(qū)，每個測線區(qū)間分布11 個測試點(diǎn)。

現(xiàn)已知測線區(qū)間2 中的一個測點(diǎn)存在軌道板脫空問題，但具體脫空位置未知，為實(shí)現(xiàn)對此位置的檢測，按照本文所設(shè)計的方法與傳統(tǒng)方法，對測點(diǎn)區(qū)域2 中布置的10 個測點(diǎn)進(jìn)行檢測。獲取沖擊回波聲頻法測試結(jié)果的反饋信號與雷達(dá)檢測法反饋的信號，將信號使用傳感器進(jìn)行傳輸，將其呈現(xiàn)在檢測終端的計算機(jī)屏幕上。通過此種方式，得到如圖2所示的軌道板脫空檢測結(jié)果（此次檢測采用測點(diǎn)順序檢測的方式進(jìn)行，即先進(jìn)行距離最近的測點(diǎn)1 檢測，再進(jìn)行測點(diǎn)2 檢測，以此類推）。

從圖2所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，本文方法可以精準(zhǔn)檢測到10 個測點(diǎn)中的第8 個測點(diǎn)反饋信號存在異常，說明本文設(shè)計的檢測方法在實(shí)際應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)對軌道板脫空現(xiàn)象的精準(zhǔn)檢測。在此基礎(chǔ)上，對基于雷達(dá)技術(shù)的傳統(tǒng)檢測方法的可行性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)此方法識別到測點(diǎn)區(qū)間2 中共存在兩個呈現(xiàn)脫空現(xiàn)象的軌道板，對應(yīng)的軌道板位置為第3 個測點(diǎn)與第8個測點(diǎn)，其中第8 個測點(diǎn)與本文檢測方法得到的結(jié)果相同。但根據(jù)已知信息可知，在測點(diǎn)區(qū)間2 中的10 個測點(diǎn)中，只有一個未知的脫空軌道板。因此，可以在完成上述實(shí)驗(yàn)后，得出此次實(shí)驗(yàn)的結(jié)論：相比基于雷達(dá)技術(shù)的傳統(tǒng)檢測方法，此次研究所設(shè)計的基于沖擊回波聲頻法的檢測技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對脫空軌道板的精準(zhǔn)檢測，盡管傳統(tǒng)檢測方法也可以對脫空軌道板的檢測，但檢測結(jié)果與真實(shí)結(jié)果存在誤差。

圖2 各檢測方法對軌道板脫空現(xiàn)象的檢測結(jié)果

在此基礎(chǔ)上，增加測線區(qū)間的測點(diǎn)數(shù)量，分別使用本文方法與傳統(tǒng)方法對區(qū)間內(nèi)的測點(diǎn)進(jìn)行檢測。統(tǒng)計真實(shí)結(jié)果與檢測結(jié)果，如表1所示。

表1 脫空檢測結(jié)果對比

從上表1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，基于沖擊回波聲頻法的檢測方法檢測結(jié)果與脫空軌道板數(shù)量完全相同，而基于雷達(dá)技術(shù)的檢測方法檢測結(jié)果與脫空軌道板數(shù)量存在部分差異。由此可以證明本文此次研究所設(shè)計的檢測方法，在真實(shí)場景中應(yīng)用，具有更精準(zhǔn)的檢測效果，可以實(shí)現(xiàn)對所有出現(xiàn)脫空問題的軌道板進(jìn)行精準(zhǔn)檢測，保證為工程施工方提供更高技術(shù)層面的指導(dǎo)與幫助，即所測結(jié)果真實(shí)性與可靠性程度更高。

3 結(jié)語

本文研究的沖擊回波聲頻法又被稱為IAE 檢測法，主要是指在待檢測結(jié)構(gòu)部分，通過激發(fā)空氣振動的方式，產(chǎn)生反饋聲音。反饋的聲音將被多種頻域裝置主動接收，接收后的信號通過差分處理與計算的方式，提取信號在傳播中的加速度參數(shù)，考慮到計算得到的加速度結(jié)果與被測結(jié)果表層加速度具有較為緊密的聯(lián)系，因此可以采用對加速度進(jìn)行計算分析的方式，精準(zhǔn)掌握并了解被測結(jié)果的內(nèi)部情況。相比常規(guī)的接觸檢測方法，此種檢測方法可以實(shí)現(xiàn)在提高檢測結(jié)果精度的同時，提升檢測效率。為實(shí)現(xiàn)對此項(xiàng)技術(shù)的推廣，本文從缺陷應(yīng)力波響應(yīng)特征提取、基于遷移學(xué)習(xí)的CRTSIII 型軌道板脫空標(biāo)注、脫空類型劃分與檢測結(jié)果主動標(biāo)識三個方面，引進(jìn)沖擊回波聲頻法，以京唐鐵路CRTSIII 型軌道板為例，采用一種全新的脫空檢測方法,并在完成對方法的理論設(shè)計后，以新建北京至唐山鐵路JTZQ-6 標(biāo)段工程為例，對所設(shè)計的檢測方法可行性進(jìn)行檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文此次采用的檢測方法，在真實(shí)場景中應(yīng)用，具有更精準(zhǔn)的檢測效果，可以實(shí)現(xiàn)對所有出現(xiàn)脫空問題的軌道板進(jìn)行精準(zhǔn)檢測。